用于模式平衡的参量放大器的系统和方法
【专利摘要】示例性实施例涉及用于模式平衡的参量放大器的系统和方法。示例性实施例涉及包括第一谐振结构和第二谐振结构的平衡参量电路，所述第一谐振结构包括第一多个变容二极管，所述第二谐振结构包括第二多个变容二极管。所述第一谐振结构与所述第二谐振结构被耦合，以形成具有至少两种正交谐振模式的耦合结构，其中，第一谐振模式在输入信号的第一频率上谐振，并且第二谐振模式在泵浦信号的第二频率上谐振，而且，所述泵浦信号用于以下中的一个：放大在所述第一频率上的所述第一信号，或混合所述第一信号并且将所述第一信号放大到比所述第一频率更高的频率。
【专利说明】用于模式平衡的参量放大器的系统和方法
[0001]参量放大器可以被定义为高频放大器，其中，操作基于诸如电抗的参量中的时间变化，并且所述参量放大器将交流电的频率上的能量转换成输入信号上的能量，以这样的方式来放大信号。大多数常规的基于晶体管的低噪声放大器要求直流(“DC”)电源，其中，所述低噪声放大器的增益通常是平坦的且其噪声因子低。相比之下，参量放大器通过从交流源(例如，“泵浦信号”)而不是DC传递的能量进行操作，但可以在比要被放大的信号低、相同或高的频率上。例如，能够利用本机振荡器生成在比信号的频率低的频率上的参量放大，例如，利用下边带降频转换器(“LSBDC”)。此外，也可以利用本机振荡器生成在较高频率上的参量放大，例如，上边带增频转换器(“USBUC”)。相应地，参量放大器在它们的非线性能量存储元件而不是非线性能量耗散元件的使用上不同于常规晶体管放大器。此外，参量放大器可从外部应用的射频(“RF”)磁场获得功率。泵浦信号可以用于放大在相同频率上的弱信号或者混合信号并将该信号放大到较高的频率。
[0002]图1示出了在双平衡混频器电路之内的平衡系统的典型实施方式(模型100)。
[0003]图2A-2D示出了根据本文中描述的示例性实施例的针对具有三种正交模式的模式平衡参量放大器的简化结构(模型210-240)。
[0004]图3A-3G示出了根据本文中描述的示例性实施例的用于将模式平衡的参量放大应用于MRI信号的简化结构(模型310-370)。
[0005]图4示出了用于调节示例性的三种模式之间的隔离，以使用作为根据本文中描述的示例性实施例的平衡参量放大器的简化结构的示例性方法(方法400)。
[0006]在医学成像的领域之内，参量放大被认为是用于磁共振成像(“MRI”)信号的检测的方法。参量放大器可以用于通过使用诸如变容二极管的非线性电抗元件来放大这些信号，以便将在一个频率上的功率转换为在另一频率上的功率。由于理想的混合过程不涉及电阻损失，因此参量放大器可以充当噪声非常低的设备。
[0007]在参量放大期间，在频率Fs上的输入信号与在频率？。上的泵浦信号混合。输出信号可以在任何频率N.Fs+M.Fp上被拾取。在常规参量增频转换器中，通常选择F
输出频率。通过将能量从泵浦信号传递到输出信号来完成功率增益。这与通过传递来自供给线的能量完成增益的常规的放大器不同。对于参量放大器的最大增益和最低噪声系数，将在Fs、Fp以及F S+Fp上的三个信号良好地从彼此隔离并且利用最小耗散反应性地终止所有其他频率产物是有利的。
[0008]由于三个信号Fs、Fp以及F S+Fp在不同的频率上，因此可以利用滤波器实现分离和隔离。然而，由于泵浦信号通常具有比在Fs上的输入信号和在F S+Fp上的所期望的输出信号二者高得多的幅度，因此这样的滤波器可以要求提供高隔离。相应地，要求这些滤波器具有高阶能够引起参量放大器中的显著损失。
[0009]对该问题的潜在解决方案是建立提供在三种信号之间的自然隔离的平衡系统。信号之间的残留的串扰然后可以利用具有显著较低损失的低阶滤波器来去除。例如，这样的平衡系统的典型实施方式可以从双平衡混频器电路实现。图1提供被实施成参量放大的双平衡混频电路(模型100)概念的图示。
[0010]在图1中，电路包括具有第一输入频率(f\)的第一输入信号(I1),所述第一输入信号(I1)经由输入部I被馈入平衡频率混频器3。具有第二输入频率(f2)的第二输入信号(I2)经由输入部2馈入平衡频率混频器3。平衡频率混频器3可以包括电容器12和至少两个将输入信号1工和I 2混合成混合信号(M)的放大器元件5。混合信号(M)包括展示第一分量频率(F1)的第一信号分量(M1)和展示第二分量频率(F2)的第二信号分量(M2)。第一分量频率(F1)等于两个输入频率(f\、f2)的和，并且第二分量频率(F2)等于两个输入频率(f\、f2)的差。混合信号(M)被馈入去往输出部7的输出线6，其中，输出信号(A)被截留。输出信号(A)具有混合信号(M)的两个信号分量(MpM2)中的至少一个。
[0011]示例性放大器元件5可以是变容二极管，所述变容二极管固有地放大第一输入信号Ii。因此，混频器电路可以除变容二极管之外不包括其他放大器元件。另外，能够从外部馈送第二输入信号I2，例如，从连接到用于生成第二输入信号I2的第二输入部2的信号发生器8。
[0012]平衡混频器3还可以包括用于接收在第一频率上的输入信号的信号采集装置4和用于生成在第二频率上的泵浦信号的信号发生器8。此外，平衡频率混频器3的平衡可以例如经由多个中继器13来实现。
[0013]如将在以下更加详细地描述的，示例性的平衡参量放大器被提供在具有至少两种正交模式的结构上。结构的任何示例性谐振模式也能够充当天线来接收或发射信号。用于示例性模式中的每种的谐振频率被调节为涉及在参量放大中的信号的频率，例如，输入信号(例如，输入频率fs)、泵浦信号(例如，输入频率fp)以及输出信号(例如，输出频率fs+fp)。当这些模式共享非线性电抗时，这些模式可以被以其他方式解耦。
[0014]示例性实施例涉及用于模式平衡的参量放大器的系统和方法。一个实施例涉及一种包括第一谐振结构和第二谐振结构的平衡参量电路，所述第一谐振结构包括第一多个变容二极管，所述第二谐振结构包括第二多个变容二极管，第一谐振结构与第二谐振结构被耦合，以形成具有至少两种正交谐振模式的耦合结构，其中，第一谐振模式在输入信号的第一频率上谐振，并且第二谐振模式在泵浦信号的第二频率上谐振，其中，泵浦信号用于以下中的一个:放大在第一频率上的第一信号，或混合第一信号并将所述第一信号放大到比第一频率更高的频率。
[0015]其他实施例涉及一种系统，所述系统包括接收在第一频率上的输入信号的信号采集装置、生成在第二频率上的泵浦信号的信号发生器以及包括第一谐振结构和第二谐振结构的平衡参量电路，所述第一谐振结构包括第一多个变容二极管，所述第二谐振结构包括第二多个变容二极管，第一谐振结构与第二谐振结构被耦合，以形成具有至少两种正交谐振模式的耦合结构，其中，第一谐振模式在输入信号的第一频率上谐振，并且第二谐振模式在泵浦信号的第二频率上谐振，其中，泵浦信号用于以下中的一个:放大在第一频率上的第一信号，或混合第一信号并将所述第一信号放大到比第一频率更高的频率。
[0016]可以参考以下对示例性实施例的描述和有关的附图来进一步理解示例性实施例，其中，相同的元件被提供具有相同的附图标记。示例性实施例涉及用于针对任何数目的应用的简化结构中的模式平衡的参量放大器的系统和方法。例如，示例性系统和方法能够在诸如MRI回路线圈的MRI应用中使用。相应地，示例性实施例可以被用作例如参量增频转换器或参量降频转换器。额外的应用可以包括介入性线圈或可植入线圈、平衡二极管混频器、对参量放大感兴趣的任何其他领域。
[0017]MRI设备利用与来自射频(“RF”)天线的旋转磁场组合的来自超导磁体的强的恒定磁场。所述恒定磁场由从梯度线圈生成的梯度场修正。旋转磁场激励生成用于建立断层摄影图像的短期RF信号的身体中的核磁共振。MRI设备使用被安装在与靶(例如，患者)接近的局部线圈的阵列来接收具有最大可能的信噪比(“SNR”)的RF。
[0018]MRI设备使用同轴电缆将来自靠近靶表面的局部线圈的信号运载到接收器，并且随后运载到图像处理单元。备选地，MRI设备可以基于低噪声参量增频变频器利用无线线圈系统。局部线圈单元可以被微波局部振荡场照亮，所述微波局部振荡场能够提供针对信号增益所要求的功率以及用于增频转换的频率和相位参考二者。
[0019]如将在以下更加详细地描述的，这些示例性系统和方法能够使用简化结构(模型210)，例如，如在图2A中所描绘的。具体地，所述结构以平衡参量系统211为特征，所述平衡参量系统211利用包含变容二极管213和电容器215的谐振结构212、214来建立。通过经由电容器215将两个或更多个谐振结构212、214与彼此耦合来创建新的耦合结构，所述新的耦合结构具有两种或更多种谐振模式。相应地，这些模式然后可以被调节，以使它们从彼此解耦。
[0020]图2B-2D表示这些示例性的谐振模式。具体地，图2B (模型220)描绘了在输入频率fs上谐振的模式#1，图2C (模型230)描绘了在泵浦频率fp上谐振的模式#2’图2D (模型240)描绘了在输出频率fs+fp上谐振的模式#3。
[0021]对于小信号幅度，所有三种模式(1、2和3)被很好地隔离。然而，如果泵浦信号被增加，使得变容二极管213开始随泵浦信号的频率改变其电容，将出现相互调制。换言之，输入信号将随泵浦信号被调制，并且在频率fs+fp上的产物将耦合到被调谐到该特定频率的模式#3。
[0022]根据示例性实施例，谐振结构可以是包含感应回路和变容二极管213以及电容器215的常规谐振器的组合。另外，谐振结构212、214还可以包括用于更高频率的微波和微带谐振器。例如，如果图2B (模式220)的模式#1也充当MRI线圈，则谐振结构212、214可以被成形为典型的MRI回路线圈。具体地，通过将这些回路线圈中的两个相互接近放置来创建共面微带发射路径，所述共面微带发射路径可以用于泵浦信号以及输出信号。
[0023]应当指出，尽管本文中讨论的实施例涉及推荐诸如MRL的医学成像协议，但是本领域技术人员应当理解，这些用于模式平衡的参量放大的示例性系统和方法能够被使用在对参量放大感兴趣的任何其他领域中，例如，平衡二极管混频器、介入性线圈和可植入线圈等。此外，示例性系统和方法并不限于三种谐振模式，并且可以利用任何数目的模式。
[0024]图3A-3G示出了根据本文中描述的示例性实施例的用于将模式平衡的参量放大应用于MRI信号的简化结构211。例如，如果图2B (模式220)的模式#1被调谐到fs，并且fs表示MRI信号频率，则参量放大器结构211能够直接检测、放大和转换MRI信号。备选地，模式#1能够被调谐到泵浦频率，并且泵浦信号能够经由感应耦合被馈入参量放大器211。
[0025]在图3A(模型310)中，参量放大器结构211的模式#1可以被调谐到fs，其中，fs表示MRI信号频率。具体地，参量放大器结构211首先检测MRI信号(fs)。在检测后，结构211放大在指定的泵浦频率(fp)上的MRI信号(fs)。MRI信号与泵浦频率的组合(fs+fp)然后可以充当所转换的输出MRI信号。
[0026]在图3B(模型320)中，参量放大器结构211的模式#1可以被调谐到fp，其中，fp表示泵浦频率。具体地，参量放大器结构211首先检测经由感应耦合被馈入结构211的泵浦频率(fp)。在检测后，结构211然后放大经由RF天线接收的在MRI信号频率(fs)上的泵浦频率(fp)。泵浦频率与MRI信号的组合(fp+fs)然后可以充当所转换的输出MRI信号。
[0027]图3C (模型330)图示了用于MRI信号与泵浦频率的组合(fs+fp)的示例性频率值然后可以充当如在图3A(模型310)中所讨论的所转换的输出MRI信号。在该范例中，MRI信号频率(fs)为128MHz，而泵浦频率(fp)为800MHz。在检测到在128MHz上的MRI信号后，参量放大器211可以由800MHz的泵浦频率来放大信号，以生成928MHz的输出信号(fs+fp)。
[0028]图3D (模型340)图示了用于泵浦频率与MRI信号的组合(fp+fs)的示例性频率值然后可以充当如在图3B(模型320)中所讨论的所转换的输出MRI信号。相应地，参量放大器211可以被调谐到800MHz的泵浦频率(fp)，并且应用128MHz的MRI信号，以生成928MHz的输出信号(fp+fs)。
[0029]图3E (模型350)图示了具有128MHz的检测到的MRI信号频率的第一信号(fs)。图3F(模型360)图示了具有800MHz的放大的泵浦信号频率的第二信号(fp)。图3G(模型370)图示了具有928MHz的输出信号频率的第三信号(fs+fp)。
[0030]图4示出了根据本文中描述的示例性实施例的用于调节示例性的三种模式之间的隔离以使用简化结构作为平衡参量放大器211的示例性方法(方法400)。应当指出，所述方法将参考上述附图中图示的简化结构进行讨论。
[0031]从步骤410开始，平衡参量放大器211被放置在具有至少两种正交模式的电路上。具体地，通过将两个或更多个谐振结构212、214与彼此耦合来创建新的电路，所述新的电路具有至少两种谐振模式。例如，示例性电路可以包括三种谐振模式，其中，三种模式中的任一种也可以充当接收或发射信号的天线。此外，模式中的每种展示一个谐振频率。
[0032]在步骤420中，调节三种谐振模式之间的隔离，以将模式从彼此解耦。具体地，通过将模式的谐振频率调谐到所期望的频率信号来调节隔离。例如，模式#1在输入信号频率上谐振，模式#3在泵浦信号频率上谐振，并且模式#3在输出信号频率上谐振。
[0033]在步骤430中，泵浦信号被增大，使得变容二极管213随着泵浦信号的频率改变其电容，从而诱发相互调制。
[0034]在步骤440中，利用泵浦信号调制输入信号，并且所产生的输出频率将耦合成被调谐到该特定频率的谐振模式#3。
[0035]本领域技术人员从以上描述中应当理解，示例性实施例允许处理设备在用户实施所述系统和所述方法时更加有效地进行操作，例如，通过调节参量增频转换器或参量降频转换器、通过调节MRI线圈、通过将示例性方法应用于平衡二极管混频器等。此外，示例性谐振结构可以是包括感应回路、变容二极管213和电容器215、微波和微带谐振器(例如，用于较高的频率等)的谐振器的任何组合
[0036]应当指出，权利要求可以包括符合PCT细则6.2(b)的附图标记/标号。然而，本权利要求书不应当被认为限于对应附图标记/标号的示例性实施例。
[0037]对于本领域技术人员，可以在本发明中做出各种修改而不脱离本发明的精神或范围是明显的。因此，旨在使本发明覆盖本发明的修改和变型，只要它们落入权利要求书及其等价方案的范围之内。
【权利要求】
1.一种平衡参量电路，包括: 第一谐振结构，其包括第一多个变容二极管；以及 第二谐振结构，其包括第二多个变容二极管，所述第一谐振结构与所述第二谐振结构被耦合，以形成具有至少两种正交谐振模式的耦合结构，其中，第一谐振模式在输入信号的第一频率上谐振，并且第二谐振模式在泵浦信号的第二频率上谐振，其中，所述泵浦信号用于以下中的一个:放大在所述第一频率上的所述第一信号，或混合所述第一信号并且将所述第一信号放大到比所述第一频率更高的频率。
2.根据权利要求1所述的平衡参量电路，其中，所述耦合结构包括第三谐振模式，所述第三谐振模式在输出信号的第三频率上谐振，所述输出信号的所述第三频率为所述第一频率和所述第二频率之和。
3.根据权利要求1所述的平衡参量电路，其中，所述第一谐振结构还包括感应回路、电容器、微波谐振器以及微带谐振器中的一种。
4.根据权利要求1所述的平衡参量电路，其中，所述输入信号为MRI信号，并且所述平衡参量电路被调谐到所述第一频率，以检测、放大和转换所述MRI信号。
5.根据权利要求4所述的平衡参量电路，其中，所述平衡参量电路被成形为MRI回路线圈。
6.根据权利要求1所述的平衡参量电路，其中，所述平衡参量电路被调谐到经由感应耦合被馈入所述平衡参量电路的所述泵浦信号的所述第二频率。
7.根据权利要求1所述的平衡参量电路，其中，所述平衡参量电路还包括用于所述泵浦信号和所述输出信号中的至少一个的共面发射路径。
8.根据权利要求1所述的平衡参量电路，其中，所述平衡参量电路充当天线，以接收和/或发射信号。
9.一种系统，包括: 信号采集装置，其接收在第一频率上的输入信号； 信号发生器，其生成在第二频率上的泵浦信号；以及 平衡参量电路，其包括: 第一谐振结构，其包括第一多个变容二极管，以及 第二谐振结构，其包括第二多个变容二极管，所述第一谐振结构与所述第二谐振结构被耦合，以形成具有至少两种正交谐振模式的耦合结构，其中，第一谐振模式在所述输入信号的所述第一频率上谐振，并且第二谐振模式在所述泵浦信号的所述第二频率上谐振，其中，所述泵浦信号用于以下中的一个:放大在所述第一频率上的所述第一信号，或混合所述第一信号并且将所述第一信号放大到比所述第一频率更高的频率。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述耦合结构包括第三谐振模式，所述第三谐振模式在输出信号的第三频率上谐振，所述输出信号的所述第三频率为所述第一频率和所述第二频率之和。
11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一谐振结构还包括感应回路、电容器、微波谐振器以及微带谐振器中的一种。
12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述输入信号为MRI信号，并且所述平衡参量电路被调谐到所述第一频率，以检测、放大和转换所述MRI信号。
13.根据权利要求9所述的系统，其中，所述平衡参量电路被成形为MRI回路线圈。
14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述平衡参量电路被调谐到经由感应耦合被馈入所述平衡参量电路的所述泵浦信号的所述第二频率。
15.根据权利要求9所述的系统，其中，所述平衡参量电路还包括用于所述泵浦信号和所述输出信号中的至少一个的共面发射路径。
16.根据权利要求9所述的系统，其中，所述平衡参量电路充当天线，以接收和/或发射信号。
【文档编号】H03F7/00GK104488193SQ201380039360
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年8月2日 优先权日:2012年8月22日
【发明者】A·赖高斯基 申请人:皇家飞利浦有限公司